專利名稱：多相流體測量系統(tǒng)的制作方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明屬于流量計量技術(shù)領(lǐng)域，其包含用于測量包含離散相的多相混合物的制品體積的系統(tǒng)，如包含油，氣，及水相的混合物。更準(zhǔn)確地說，該系統(tǒng)使用Coriolis流量計結(jié)合兩相分離器以測量多相混合物中各組分或相的產(chǎn)品體積。
2.問題說明經(jīng)常存在的情況是流經(jīng)管線的物料含有多個相。用于本文時，所謂“相”指存在一種與其它物質(zhì)相接觸的物質(zhì)。例如，油和水的混合物包含離散的油相和離散的水相。類似的，油、氣、水的混合物中包含離散的氣相和離散的液相，以及包含油相和水相的離散液相。用于本文上下文中時，所謂“物質(zhì)”指包含氣體和液體的物質(zhì)。
當(dāng)使用流量計測量多相流體相結(jié)合的體積或質(zhì)量流量時會帶來特殊的問題。特別是，在流量計被設(shè)計用于直接測量多相結(jié)合的液體，但其測量結(jié)果不能直接得出各相獨自的測量結(jié)果。這一問題在石油工業(yè)領(lǐng)域尤為突出，因為其中產(chǎn)油和產(chǎn)氣的井產(chǎn)生包含未處理的油、氣和鹽水的多相流體。
石油工業(yè)領(lǐng)域常用的解決方法是安裝用于將油井和氣井中的流體分別分離出油、氣和水相的裝置。油田或油田的一部分的生產(chǎn)井常常共用一個用于此目的的生產(chǎn)裝置，其包含一個主產(chǎn)品分離器，一個井測試分離器，傳輸管線接口，鹽水排泄井和安全控制部分。對油或氣田生產(chǎn)的優(yōu)化管理需要了解整個油田及油田中某一口井所生產(chǎn)的油、氣和水各自的體積。所了解的信息用于提高油田的生產(chǎn)效率，及全部產(chǎn)品銷售收入的再分配。
早期分離裝置的安裝包括安裝大型的大容量容器型分離設(shè)備。這些設(shè)備包含水平或垂直的橢圓形壓力容器及內(nèi)部的閥件與擋板套件。工業(yè)術(shù)語中將用于從包含油和水的液相中分離出氣相的裝置稱作“兩相”分離器。使用兩相分離器無法在實際生產(chǎn)條件下將油和水組分分離并直接進(jìn)行體積測量，因為混合的油和水組分實際上不會從混合液流中分離出來?！叭唷狈蛛x器可用于從液相中分離出氣相并將液相分離為油相和水相。與兩相分離器相比，三相分離器需要附加的閥件與擋板套件，且一般具有更大的體積以得到產(chǎn)品物質(zhì)更長的停留時間以使產(chǎn)品物質(zhì)經(jīng)重力分離分別得到油、氣和水組分。
老的壓力容器分離器龐大且占用相對較大的表面積。在包括離岸生產(chǎn)平臺和海底完井系統(tǒng)的安裝場合中，可提供的表面積是非常有限且十分昂貴的。已進(jìn)行了一些開發(fā)工作以嘗試在表面積有限的地方使用小型組件進(jìn)行多相測量。這些組件典型地需要使用核技術(shù)完成多相流體的測量。
Coriolis流量計是可以以振動管密度計方式工作的質(zhì)量流量計?？衫酶飨嗟拿芏葘⒛骋幌嗟馁|(zhì)量流量轉(zhuǎn)換為體積流量。但使用Coriolis流量計判定整個混合的流體中油、氣和水各相的質(zhì)量百分比存在許多困難。
美國專利5029482公開了使用源于經(jīng)驗的校正的方法，其通過將各氣體和液體組分的質(zhì)量百分比已知的混合氣液流體流過Coriolis流量計而獲得。源于經(jīng)驗的校正用于在Coriolis直接測量的總質(zhì)量流量的基礎(chǔ)上，計算氣體和液體的百分比未知的氣體和液體混合流體中的氣體的百分比和液體的百分比。井中得到的流體混合物的組成可隨時間改變，其緣于儲層中壓力消耗所引進(jìn)的壓力、體積和溫度現(xiàn)象，并繼而要求連續(xù)地確定密度數(shù)值。
美國專利4773257公開了可通過調(diào)整所測的總質(zhì)量流量的含水量計算整個油和水流體中水的分量，并且相應(yīng)的各個油和水相的質(zhì)量流量可以通過將各相的質(zhì)量流量除以各相的密度轉(zhuǎn)化為體積流量。各相的密度須由實際的實驗室測量得到?！?57”號專利依靠分離裝置完成氣體從液相總體中的分離，且假設(shè)該分離是完全的。
美國專利5654502公開了一種自校準(zhǔn)的Coriolis流量計，其使用分離器分別完成油和水密度的測量，而不需借助實驗室的密度測量。油密度測量根據(jù)水含量進(jìn)行修正，后者由水含量測量器或探頭測量。“502”號專利依靠分離器從流經(jīng)流量計的流體中消除氣體，且未公開當(dāng)氣體作為流經(jīng)Coriolis流量計的流體的一部分時進(jìn)行多相流體計量的機(jī)理。
甚至三相分離器也不是一定可以將油相從水相中分離出來。需使用水含量探頭測量分離的油相中的水含量，因為存留在明顯分離的油組分中的殘余水的含量一般可高達(dá)10％。此處所用術(shù)語“水含量”指多相混合物中水的含量，最經(jīng)常地用于表示一個比值，其代表油-水混合物中油的體積與水的體積的關(guān)系。根據(jù)最通用的“水含量”一詞的用法，井中產(chǎn)生的流體，如果每100桶油和水的液體中含有95桶水時，其水含量為95％。術(shù)語“水含量”有時也用來指所產(chǎn)生的總油量與所產(chǎn)生的總水量之比。術(shù)語“油含量”指油體積除以油和水總體積的結(jié)果。如本文所定義，術(shù)語“水含量”包括任何在數(shù)值上等于可表示包含水和油的液體混合物總體中水或油的百分比的值。
當(dāng)氣體是流體的一部分，且小型組件不需要使用核技術(shù)來進(jìn)行流體的直接測量時，仍有需要提供一種小型組件以完成多相流體的測量。由此，本發(fā)明的一個方面提供了在以下系統(tǒng)中可以完成多相流體測量的方法和儀器，該系統(tǒng)含有氣體和液體的混合物，或是含有各種液體混合物的液體系統(tǒng)，無論該混合物是可混溶的或不可混溶的。
解決方法本發(fā)明通過提供一個全自動的基于Coriolis方法的井測試系統(tǒng)解決了如上所述的問題，其不需要人工采樣或產(chǎn)品物料的實驗室分析來完成相組分密度的測定。另外，該測試系統(tǒng)消除了由減壓導(dǎo)致溶解氣體釋放所產(chǎn)生的體積測量誤差。
本發(fā)明的井測試系統(tǒng)有兩種操作模式。以正常井測試系統(tǒng)模式工作的測試系統(tǒng)測量 已從組分混合物，即包含油、氣和水相的井頭產(chǎn)品物料中分離出來的各組分的體積。井測試系統(tǒng)還有一種特殊的密度測量模式，其不需要對產(chǎn)品流體進(jìn)行人工取樣來進(jìn)行密度測量。由該井測試系統(tǒng)得到的原位密度測量結(jié)果比實驗室測量結(jié)果更精確，因為物料是在管線條件下接受測量的。
井測試系統(tǒng)還包含將含有多相井頭產(chǎn)品流體的混合流體分離為獨立組分的裝置。使用閥歧管以選擇性地使渦旋分離器中充滿某個單井的產(chǎn)品。使用重力分離器保留多個井的油、氣和水相混合物，同時重力作用將各組分從產(chǎn)品混合物中分離出來。當(dāng)各組分被分離后，打開泄料閥以至少從重力分離器中部分排出產(chǎn)品組分混合物中的液體組分。
Coriolis流量計可以以質(zhì)量流量計模式和密度計模式操作。這些測量計用于在油和水組分離開各分離器后分別測量其質(zhì)量流量。密度測量通過多相流中分離的油組分得到。水分含量監(jiān)視器用于得到分離的油相中的水含量結(jié)果。流體密度，溫度，質(zhì)量流量，和水含量測量結(jié)果一同用于計算產(chǎn)品流體中油和水相的體積流量。這種修正使油體積流量的計算更為精確。
在優(yōu)選實施方案中，體積測試誤差由于將加壓氣體源聯(lián)至測試分離器而減至最小。該加壓氣體源用于使分離器壓力即使在泄料閥打開以使測試分離器內(nèi)的液體流出時也保持基本恒定。
其它突出的特點，目的和優(yōu)點對于本領(lǐng)域技術(shù)人員，在閱讀以下討論及相應(yīng)附圖后將是顯而易見的。
附圖簡述

圖1.繪出本發(fā)明所述的自動井測試系統(tǒng)的布局示意圖；圖2.繪出圖1所示系統(tǒng)操作的控制流程圖；圖3.是用假想數(shù)據(jù)做圖，證明在Coriolis流量計中氣體響應(yīng)流體管的頻率阻尼效應(yīng)的實際作用；和圖4.是用假想數(shù)據(jù)做圖，表示驅(qū)動增益與透明氣泡進(jìn)入Coriolis流量計的過程時間之間的關(guān)系。
優(yōu)選實施例詳述圖1繪出了用于石油工業(yè)的小型多相流體測量系統(tǒng)100的示意圖。系統(tǒng)100包含多相流體進(jìn)口管102，其聯(lián)入水平的兩相渦旋分離器104。然后，渦旋分離器104將氣體排入其上方的氣體測試流動管線106，并將液體排入其下方的液體測試流動管線108。氣體測試流動管線106與液體測試流動管線108在流體測試完成后合并入排空管110。控制器112包括一個中央處理器及用于操縱系統(tǒng)100各部件的附屬電路。為獲得便攜性，系統(tǒng)100固定在橇板結(jié)構(gòu)114上，來自多個油或氣井的多相流體經(jīng)由產(chǎn)品歧管116進(jìn)入系統(tǒng)100。排空管110進(jìn)入三相產(chǎn)品分離器118以在得到市售商品前分離出氣體、水和油相。
進(jìn)口多相流體管線102沿箭頭120方向接收來自產(chǎn)品歧管116的包含油、氣和水的多相流體。文丘里管段122使用了眾所周知的伯努利效應(yīng)以降低文丘里管喉部的物流管102內(nèi)的進(jìn)口多相流體的壓力。優(yōu)選所得壓力降低的幅度應(yīng)使其壓力與液體CORIOLIS流量計166內(nèi)的內(nèi)部工作壓力大致相同。這一壓力降低使物流管102內(nèi)多相流體中的氣體被釋放或閃蒸。一個向上/下傾斜的部件124使多相流體的氣相與液相在進(jìn)入渦旋分離器前得到重力分離。一個水平放置的排放部件126向渦旋分離器104進(jìn)料。
以剖面圖方式繪出渦旋分離器104以示出其內(nèi)部工作元件。水平放置的排放部件126的位置使物料以切線方向進(jìn)入渦旋分離器104的筒狀內(nèi)部分離部分。這種排料方式在渦旋分離器104內(nèi)部多相流體的液體部分128中產(chǎn)生旋風(fēng)或氣旋效應(yīng)。
液體部分128主要是液相，其包含分離的水、油和包裹態(tài)氣相。旋風(fēng)效應(yīng)產(chǎn)生的離心力對包裹態(tài)氣相產(chǎn)生附加的分離，但其不可能完全排除包裹態(tài)氣相，除非以相當(dāng)?shù)偷牧鲃铀俾蕿榘鼞B(tài)氣相提供附加的重力分離。從渦旋分離器104中排出的液體部分128進(jìn)入液體測量流動管線108。在渦旋分離器104的下部安裝一個水阱130。阱中水可取出進(jìn)行周期性水密度測量，或可在阱130中安裝水密度計(圖1中未示出)以便為控制器112提供水密度信息。
渦旋分離器中的多相流體的氣相部分132主要是氣相，其包括油或水的霧。使用霧收集篩134部分地凝聚霧，其以聚集態(tài)滴回液體部分128。
氣體部分132排入氣體測量流動管線106。氣體測量流動管線106包含一個壓力傳感器135，其將氣體測量流動管線106內(nèi)的絕對壓力讀數(shù)經(jīng)路徑136送至控制器112。壓力傳感器135可得自市售產(chǎn)品，例如Rosemount of Eden Prairie，Minnesota提供的如Model 2088的壓力傳感器。管138將氣體測量管線136與渦旋分離器104的底部相連。管138包含一個靜壓表140，連著一個用于傳遞氣體測量流動管線106內(nèi)的點144和渦旋分離器104底部點146間靜壓頭壓力信息的壓力傳感器142。通路148將壓力傳感器142與控制器112連接起來，后者根據(jù)來自壓力傳感器142的靜壓頭數(shù)據(jù)打開或關(guān)閉電動節(jié)流閥150和174以進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，保證渦旋分離器104的正常操作條件，即防止渦旋分離器中氣體在氣體部分132排入液體測量管線108的位置或在液體部分128排入氣體測量管線106的位置出現(xiàn)過載。路徑152和176將控制器112與節(jié)流閥150和174連接起來，其可以是，例如購自Fisher of Marshall Town，Iowa的Model V2001066-ASCO閥。
在氣體測量管線106中的Coriolis質(zhì)量流量計154可以對氣體測量管線106內(nèi)的多相流體中的氣體部分132進(jìn)行質(zhì)量流量和密度的測量。Coriolis流量計154與流量傳感器156安在一起以便將表示這些測量結(jié)果的信號送至控制器112。Coriolis流量計154在電路上的設(shè)計使其可以測量氣體測量管線106中流過的物質(zhì)的質(zhì)量流量、密度和溫度。示范性的Coriolis流量計154包括ELITE Models CMF300356NU和Model CMF300H551NU，其由Colorado的Micro Motion of Boulder提供。
路徑158將流量傳感器156與控制器112相連以進(jìn)行信號傳輸。氣體測量管線106上的止回閥160保證液體沿箭頭162的正方向流動，從而防止液體部分128進(jìn)入氣體測量管線106。
液體測量管線108包括靜態(tài)混合器164，其攪動在液體測量管線108中液體部分128防止其中油，水和夾帶的氣相由于重力作用分離。Coriolis流量計166可以提供液體測量管線108中的液體部分128的質(zhì)量流量和密度，且與流量傳感器168相連以將表示這些測量結(jié)果的信號經(jīng)路徑170送至控制器112。
在液體測量管線108上裝有一個水含量監(jiān)測儀172，以測量液體測量管線108中液體部分128的水份。水含量監(jiān)測儀的選型取決于流體中可能出現(xiàn)的水份量的多少。例如，電容儀價格相對較低，但如果水份量超過30體積％則需要其它類型的儀表。電容或電阻探頭的工作原理是基于油和水的介電常數(shù)有顯著差異。這些探頭隨水含量提高其靈敏度下降，故僅當(dāng)水含量低于總流體體積的約20～30％時才能夠提供準(zhǔn)確性可接受的水含量測量。其30％的準(zhǔn)確性上限遠(yuǎn)低于許多生產(chǎn)井的實際觀測值。例如，一個油井總液體產(chǎn)品體積的99％可能是水，因而，基于電容或電阻原理的水含量測試儀應(yīng)用于測量具有相對較低水含量的油組份的水含量。
可用于水含量測量的市售儀器包括近紅外傳感器、電容/電感傳感器、微波傳感器、和無線電頻率傳感器。每一類型的儀器均有相應(yīng)的測試范圍。因此，水份探頭可以測量油水混合流體中水的體積百分比。
包括微波儀器的水份測量儀器可以檢測水含量高達(dá)流體混合物的約百分之百時的水含量，但當(dāng)介質(zhì)為三相流體時其可能將氣體組份判斷為油。這種誤判緣于微波檢測儀器的下述工作原理在選中的波段內(nèi)，水對微波能量的吸收為原油的六十倍多。對吸收數(shù)據(jù)的計算前提是不存在天然氣，而天然氣對微波輻射的吸收為原油的兩倍。由此可見，微波水含量測試系統(tǒng)可通過對混合物中氣體對測量的影響的補(bǔ)償來修正水含量結(jié)果。
路徑173將水含量測試儀172與控制器112相連?？刂破?12通過電操縱兩通閥174控制液體測量管線108中的壓力，其方式確保了渦旋分離器104與閥150配合進(jìn)行正常的操作，即通過閥174的開合來防止氣體部分132排入液體測量管線108，以及阻止液體部分128排入氣體測量管線106。路徑176將閥174與控制器112相連。液體測量管線108上的止回閥178保證液體沿箭頭180的正方向流動，從而防止氣體部分132侵入液體測量管線108。氣體測量管線106和液體測量管線108經(jīng)一個T型接頭匯合為共同的排出管110，連接產(chǎn)品分離器118。
控制器112是一個自動化系統(tǒng)，其用于管理系統(tǒng)100的操作?；旧?，其包括一個計算機(jī)84，其帶有數(shù)據(jù)采集程序以及軟件程序，與驅(qū)動電路和界面相結(jié)合用于操縱遠(yuǎn)程部件。優(yōu)選的控制器112的形式為Fisher Model ROC364。
產(chǎn)品歧管116包含許多電動三通閥，例如閥182和184，其分別對應(yīng)于產(chǎn)品源如油井186或氣井188。本申請中可用的特別優(yōu)選的三通閥為配有MATRYX MX200傳動器的Xomox TUFFLINE 037AX WCB/318井開關(guān)閥。優(yōu)選為接收某一相應(yīng)單獨井的產(chǎn)品流體配置一個閥，但其也可以接收來自一組井的產(chǎn)品?？刂破?12通過路徑190傳輸信號來選擇性地配置這些閥的狀態(tài)。閥被選擇性地進(jìn)行配置以使來自一口井186或組合的井(如井186和188)的多相流體流入主管192以將流體送入多相流體進(jìn)口管102，同時其它閥門被選擇性地設(shè)置為經(jīng)旁路管線194繞過系統(tǒng)100。
產(chǎn)品分離器118與壓力傳感器195及用于向控制器112傳輸信號的路徑196相連。分離器118與氣體外銷管線，油品外銷管線和鹽水排放管線(未在圖1中繪出)相連，其連接方式可為本領(lǐng)域技術(shù)員公知的任何傳統(tǒng)方式。系統(tǒng)100的操作圖2示出了代表用于程序控制器112的控制邏輯的過程P200的示意圖。這些指令典型地存儲于電子內(nèi)存或電子存儲設(shè)備中以便控制器112的讀取與使用。實現(xiàn)過程P200的指令可存儲于任何機(jī)器可讀的介質(zhì)中以便控制器112或以任何可行方式與系統(tǒng)100相連的類似設(shè)備進(jìn)行讀取\解碼和執(zhí)行。
過程P200由步驟P202開始，其中控制器112決定能否進(jìn)入測試模式過程。根據(jù)圖1，這意味著控制器112選擇性地配置產(chǎn)品歧管116的閥182和184，以令一口井或與產(chǎn)品源186和188對應(yīng)的操作者選定的井組的產(chǎn)品流過主管192并進(jìn)入多相流體管線102。這一決定通?；跁r間周期，例如對每個井每周至少測量一次。測量模式也可以連續(xù)方式進(jìn)行，其中產(chǎn)品歧管116的各個閥門總是被選擇性地配置以使流體流入系統(tǒng)100的同時其它閥的配置是經(jīng)旁路管線194繞過系統(tǒng)100。這些類型的井測試計量通常用于在輸送的基礎(chǔ)上分配，通過產(chǎn)品分離器118到特定產(chǎn)品源，例如源186和188的總流體百分比。
手動閥196和197可通過開合選擇性地隔離系統(tǒng)100，即閥196和197可同時閉合以移走所有固定在撬板114上的組分。電動閥199通常是閉合的。閥196與197之間的第二或冗余旁路管線198在打開閥199并關(guān)閉閥150和174時允許流體繞過系統(tǒng)100。
測試開始于步驟P204，其中控制器112關(guān)閉或打開閥150和174以降低或提高流過渦旋分離器104的總流量，目的在于從多相流體中將氣體從液相中分離出來。不需要降低流過系統(tǒng)100的總流量，因為控制器112可打開閥199以使流體流過內(nèi)部旁路198。準(zhǔn)確的流量取決于渦旋分離器和液體測量管線108的物理容積，以及源186和188可送入系統(tǒng)100的流體的數(shù)量。
降低流過系統(tǒng)100的流量的目的在于通過使用渦旋分離器104，加上重力分離的幫助，消除液體測量管線108中的夾帶氣泡，同時保持足夠高的流量以防在余下的液相中油從水中顯著地分離出來。也可能通過增加流量基本上完全氣相與液相的分離，并由渦旋分離器104產(chǎn)生的離心力完全該分離。為此，控制器112監(jiān)測Coriolis流量計166的驅(qū)動增益或電位計電壓，如圖3和4所示。
圖3是用假設(shè)數(shù)據(jù)做圖，證明在Coriolis流量計166中氣體響應(yīng)流體管的頻率阻尼效應(yīng)的實際作用(也參見圖1)。透射率的log值作圖，為以加在Coriolis流量計166驅(qū)動線圈上的變換電壓的頻率，如頻率f0、f1和f2的函數(shù)。透射率Tr等于表驅(qū)動線圈輸出值除以驅(qū)動輸入，即Tr為驅(qū)動增益 第一條曲線300對應(yīng)于式(1)之無阻尼系統(tǒng)，即被測流體中無氣體存在。第二條曲線302對應(yīng)于阻尼系統(tǒng)，其中有氣體存在。曲線300與302均有極值存在，在自然頻率fn時分別為304與304’。
圖4是用假想數(shù)據(jù)做圖，表示驅(qū)動增益與透明氣泡進(jìn)入Coriolis流量計166成為多相流體中夾帶的氣泡的過程400的時間之間的關(guān)系。氣泡于時刻402進(jìn)入并于時刻404離開。驅(qū)動增益在圖4中以百分比的形式表示，并于時間間隔如t1、t2和t3處以時間的函數(shù)的形式繪圖?？刂破?12(亦見圖1)被編程以監(jiān)測驅(qū)動增益或透過率，即將其與閾值406進(jìn)行比較。若曲線408的驅(qū)動增益或透過率超過閾值406，則控制器112判別為密度測量受到透明氣泡的影響。因此，Coriolis流量計166僅將在驅(qū)動增益小于閾值406時獲得的密度值用于步驟P206。閾值406的準(zhǔn)確值取決于特定儀表的設(shè)計及擬使用的環(huán)境，并應(yīng)允許多相流體內(nèi)存在小于一到兩個百分比的氣體。
在使用CORIOLIS流量計時，通常的情況下電位計電壓降低反比于圖4曲線400所示事件400。有時表的程序中設(shè)定感應(yīng)該振幅的降低，并以振動振蕩線圈達(dá)到最大設(shè)計規(guī)格振幅的形式對其做出響應(yīng)，直到氣體阻尼效應(yīng)反轉(zhuǎn)。
在步驟P204中用控制器112以所述方式打開和/或關(guān)閉閥150和174直到驅(qū)動增益降至低于閾值406，而步驟P206包括用Coriolis流量計166測量不含包裹的氣體的液相的密度。這一密度測量值應(yīng)代表不含氣泡的液體的密度。在以下討論中將所測密度值表示為ρL，并用于描述無夾帶氣體的包含氣體和油的液體的密度。作為對液體測量管線108中多相流體進(jìn)行直接測量的替代手段，還可能將所得多相流體的樣品進(jìn)行實驗室分析或通過使用基于經(jīng)驗的流體校正的近似密度測量以得到不太優(yōu)選的近似ρL。
在步驟P208中，控制器112依照制造商的說明，根據(jù)流過CORIOLIS流量計154和166的總流量及來自壓力傳感器135和壓差表140的壓力信號，選擇性地調(diào)節(jié)閥150和174以使渦旋分離器104中的分離效果最佳。在這一步驟中，配置產(chǎn)品歧管116使其引流以激活井測試計量過程。與步驟P204相比，渦旋分離器104在這一步驟中起不同的作用，因為控制器112不進(jìn)行如圖4所示的通過對閥150和174進(jìn)行調(diào)節(jié)以使驅(qū)動增益降至低于閾值406。在此情況下，流過液體測量管線108的液相主體中可能包含夾帶的氣泡。
步驟P210包括使用Coriolis流量計166測量包含包裹的氣泡的液體測量管線108中的液相主體的總質(zhì)量流量QTL，及該液相主體的密度。該密度測量值在以下討論中計做ρmeas。
在步驟P212中，控制器112測定多相流體中氣體的干氣密度ρgas。氣體密度可使用American Gas Association基于氣體重量得出的眾所周知的公式，由壓力和溫度信息計算出來，或者實驗室分析可以由多相流體中產(chǎn)品氣體的實際測量值提供其它經(jīng)驗性的校正公式。另一種測量氣體密度的替代技術(shù)是在步驟P204同時，或在單獨的步驟P210(其中控制器112如圖4所示通過對閥150和174進(jìn)行選擇性調(diào)節(jié)以使驅(qū)動增益強(qiáng)度最小)中，由Coriolis流量計154進(jìn)行實際的密度測量。在一些情況下，還可能假設(shè)氣體密度為常數(shù)，因為氣體密度與液體密度相比相對較低，故將氣體密度假設(shè)為常數(shù)所產(chǎn)生的偏差是可以接受的。
在步驟P214中，控制器112計算液相中的氣體空隙分率XL，其中(2)XLi=ρcalc-ρmeasρcalc,]]>其中XLi表示流過Coriolis流量計166的多相流體中氣體空隙的氣體空隙分率，i表示逐次迭代，ρmeas是如上所述得自步驟P210的密度測量值，而ρcalc是計算或估算的密度值，其近似于具有約XLi的空隙分率的多相流體的密度。式2可用于收斂迭代計算。由此，由第一個猜想值開始進(jìn)行計算是可行的，如使用來自特定產(chǎn)品源186的測試測量循環(huán)中儲存的ρcalc值或一個猜想的值如0.8g/cc。
一個特別優(yōu)選的提供初始猜想的ρcalc值的方法是由水含量測試儀172得到水含量測量結(jié)果。然后可假設(shè)多相流體混合物中不含氣體并通過式3計算ρcalc。
(3)ρa(bǔ)lc＝WC(ρw-ρo)+ρo其中WC是以液體混合物中水量除以液體混合物總體積的分率形式表示的水含量，ρw是液體混合物中水的密度，ρo是液體混合物中油的密度。所得ρcalc的初始猜想值是無氣體空隙的液體混合物的理論值。當(dāng)Xi大于零時，測量的密度ρmeas應(yīng)小于ρcalc，前提是ρw和ρo的取值正確。ρw和ρo的取值可源于實驗室測量，其是基于對分別包含油和水相的液相主體的樣品的測量。例如，水密度值可來自與水阱130相連的水份儀。這些值還可使用發(fā)表于American Petroleum Institute的經(jīng)驗公式近似至可接受的精度。
在步驟216中，控制器112進(jìn)行計算以決定最終的ρcalc猜想值是否適用于式2來計算XLi，其中Xi值收斂入可接受的偏差范圍內(nèi)。下一個ρcalc猜想值根據(jù)下式計算(4)ρcalci＝(ρgasXLi)+(1-XLi)ρL其中ρcalci是根據(jù)式2由XLi計算的下一個ρcalc猜想值，ρL是液體混合物的密度，其它數(shù)值的定義同上文。
步驟P218是對收斂過程的測試，并在滿足下式時退出收斂(5)D＜|ρcalci-ρcalc|其中D是代表可忽略的偏差，如0.01g/cc，的界限的絕對值，或Coriolis流量計166可得的近似的精度極限，ρcalci是根據(jù)式4計算得到的當(dāng)前值，ρcalci-1是式2前次迭代時的ρcalci的舊值，其中根據(jù)ρcalci產(chǎn)生Xi值。
如果步驟P218中控制器112發(fā)現(xiàn)不收斂，則在步驟P220中以新的ρcalci猜想值代替舊的ρcalc猜想值，而后重復(fù)自P214至P218的步驟直到出現(xiàn)收斂。
水含量可由下式計算(6)WC=ρL-ρOρW-ρO]]>其中WC是水含量，ρo是液體混合物主體中油的密度，ρw是所述液體混合物主體中水的密度。由此，當(dāng)多相流體中沒有氣相時水份儀172在某種程度上是多余的，且由于其值對于這一迭代收斂技術(shù)是一個不再需要的值而可以任選地去除。
在步驟P214A中，可提供一個更苛刻的或非迭代的方法，前提是由水份儀172測得的水含量值處于使儀器以可接受的準(zhǔn)確度和精度工作的范圍內(nèi)。儀器讀數(shù)是流體組份的函數(shù)，這使得同時解析三個方程的系統(tǒng)成為可能，并得到三個變量的計算值。三個方程如下(7)ρwqw+ρoqo+ρgqg＝ρmix，(8)f(sat)＝M(9)qw+qo+qg＝1其中ρw是流體中水的密度，ρo是流體中油的密度，ρg是流體中氣體的密度，ρmix是混合流體的密度，qw是水的體積分流量(即水含量)，qo是油的體積分流量，qg是氣體的體積分流量，f(sat)是流體組分的函數(shù)，其對于一個特定型號的滿量程讀數(shù)為M的水份儀是唯一的。
如果水份儀是微波儀，函數(shù)f(sat)＝M可近似為(10)mwqw+moqo+mgqg＝M，其中mw是純水的儀表讀數(shù)，mo是純油的儀表讀數(shù)，mg是純氣體的儀表讀數(shù)，其它變量的定義同上文。其中，對于一個典型的儀表，mw＝60，mo＝1，mg＝2，可由式8至式11計算qw，即(11)qw=(ρmix-ρo)-(M-1)(ρg-ρo)(ρw-ρo)-59(ρg-ρo)]]>
其中變量的定義同上文。且，(12)qg＝M-1-59qw，and(13)qo＝58qw-M+2.
一旦在步驟P218得到收斂結(jié)果，則在步驟P222中需要使用Coriolis流量計154測量于步驟208的流動條件下流過Coriolis流量計154的氣相主體的質(zhì)量流量QTG和密度ρmgas。
步驟P224包括求解流過氣體測量管線106的氣相主體的氣體空隙分率XG，其根據(jù)下式(14)XG=Pmgas-PLPgas-PL]]>其中XG是對應(yīng)于氣相主體的總體積的氣體體積的分率，ρmgma是得自步驟P222的數(shù)值，ρgas是得自步驟P212的數(shù)值，ρL是得自步驟P206的數(shù)值。
在步驟P224中，如果需要，則對來自水含量測定儀172的水含量數(shù)值進(jìn)行調(diào)節(jié)，以補(bǔ)償液相總體中出現(xiàn)的氣體。例如，當(dāng)氣體空隙分率XLi為已知，即可能據(jù)此數(shù)據(jù)對基于樣品僅含油和水的假設(shè)的微波吸收儀的水含量測量結(jié)果進(jìn)行修正。
步驟P226包括使用如上所得數(shù)據(jù)分別解析氣相主體和液相主體中三個不同相的質(zhì)量流量?？墒褂萌缦赂魇?15)QL＝QTL*(1-Xi)+QTG*(1-XG)；(16)QG＝QTL*XiQTG*XG；(17)Qo＝QL*(1-WC)；(18)Qw＝QL*WC；(19)VL=QLρL;]]>(20)VO=QOρo;]]>(21)VG=QGPgas;]]>和(22)VW=QWPW,]]>其中QL是流過系統(tǒng)100的液相的總質(zhì)量流量；Xi是由步驟P214中測定且在步驟P218中得到收斂結(jié)果的液相主體的氣體空隙率；QTG是步驟P222中測得的氣相主體的氣體總質(zhì)量流量；XG是由步驟P224測定的氣相主體的氣體空隙率；QG是流過系統(tǒng)100的氣體的總質(zhì)量流量；QO是流過系統(tǒng)100的油的總質(zhì)量流量；QW是流過系統(tǒng)100的水的總質(zhì)量流量；QO是流過系統(tǒng)100的油的總質(zhì)量流量；WC是如步驟P224所需進(jìn)行了修正的得自水含量測量儀172的水含量結(jié)果；VL是流過系統(tǒng)100的液相的總體積流量；ρL是由步驟P206測定的液相密度；VO是流過系統(tǒng)100的油的總體積流量；ρo是流動條件下油的密度；VG是流過系統(tǒng)100的氣體的總體積流量；ρgas是流動條件下氣體的密度；VW是流過系統(tǒng)100的水的總體積流量；ρw是流動條件下水的密度。
控制器112在步驟P228中產(chǎn)生系統(tǒng)的輸出值，包括直接溫度、密度和所測得質(zhì)量流量及各相的體積和質(zhì)量流量的計算結(jié)果。這些質(zhì)量流量可對時間進(jìn)行積分以得到測量間隔內(nèi)的累積產(chǎn)量。
控制器112在步驟230中與包括產(chǎn)品歧管116在內(nèi)的系統(tǒng)元件互相作用以使井的效率最佳化。例如，如果油田的驅(qū)動能量受氣頂控制，則當(dāng)油開采后氣頂耗盡時生產(chǎn)效率最佳。希望在生產(chǎn)氣之前先生產(chǎn)油，且當(dāng)油耗盡時氣-油接觸層會向下移動至以前的油層。這種氣-油接觸層的移動會使之前主要生產(chǎn)油的井變?yōu)橹饕a(chǎn)氣。針對這種油井產(chǎn)氣量急劇增加的適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)通常是關(guān)閉該井或降低其產(chǎn)率以使儲層的驅(qū)動能量不致耗盡，而控制器112的程序可執(zhí)行這一操作。類似的響應(yīng)可被編入程序以去除油-水接觸，或甚至通過在所有參數(shù)均相同的條件下優(yōu)先開發(fā)生產(chǎn)低成本的井，最后才對高消耗的井進(jìn)行生產(chǎn)的方法可從財會角度優(yōu)化當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)效益。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解在不偏離本發(fā)明的范圍與實質(zhì)的情況下可以對以上所述的優(yōu)選實施例進(jìn)行表面上的修改。因此，在這里，為了保護(hù)發(fā)明的所有權(quán)利，本發(fā)明人根據(jù)Doctrine of Equivalent闡明了其全部的意圖。
權(quán)利要求
1.一種用于測量含有多個液相和一個氣相的流體環(huán)境的多相流體測量系統(tǒng)(100)，其包括將來路多相流體分離為液相主體和氣相主體的分離器(104)，其中液相主體具有包含夾帶氣體的液體主體組份，氣相主體包括氣體主體組份，該系統(tǒng)還包括用于測量所述液相主體流量的流量計(166)，其中所述系統(tǒng)包括控制器(112)，其被設(shè)置為測量所述液相主體的流量，并經(jīng)計算得出所述液相主體中離散的液相和離散的氣相的流量。
2.如權(quán)利要求1所述的多相流體測量系統(tǒng)(100)，其中所述流量計(166)包括一個質(zhì)量流量計。
3.如權(quán)利要求2所述的多相流體測量系統(tǒng)(100)，其中所述質(zhì)量流量計(166)是一個Coriolis質(zhì)量流量計。
4.如權(quán)利要求1所述的多相流體測量系統(tǒng)(100)，其中對所述液相主體的所述流量的所述計算不用經(jīng)驗性校正，但用于測定選自密度和粘度的流體性質(zhì)的經(jīng)驗性校正除外。
5.如權(quán)利要求4所述的多相流體測量系統(tǒng)(100)還包括液體測量管線(108)，其使來自所述分離器(104)的第一液體以所述第一液體中基本不夾帶氣泡的方式流動，和在所述液體測量管線(108)中測定所述第一液體密度ρL的密度計(166)。
6.如權(quán)利要求5所述的多相流體測量系統(tǒng)(100)還包括測定所述液相主體的密度ρmeas的第二密度計；和所述控制器(112)還被配置為用于根據(jù)所述密度ρmeas與所述密度ρL之間的相關(guān)性計算空隙分率XL，并將所述空隙分率XL用于所述液相主體組份的總流量QTL，以提供分別對應(yīng)于所述液相主體的液體與氣體組份的流量QL與QG。
7.如權(quán)利要求6所述的多相流體測量系統(tǒng)(100)，其中所述控制器(112)還被配置來使用迭代收斂計算進(jìn)行空隙分率XL的計算。
8.如權(quán)利要求7所述的多相流體測量系統(tǒng)(100)，其中所述控制器(112)還被配置成根據(jù)所測密度值與基于所述空隙分率XL的理論密度值之間的差值來收斂所述迭代收斂計算。
9.如權(quán)利要求8所述的多相流體測量系統(tǒng)(100)，其中所述傳感器(112)還被配置來使用非迭代方法計算進(jìn)行空隙分率XL的計算。
10.如權(quán)利要求9所述的多相流體測量系統(tǒng)(100)，其中所述傳感器(112)還被配置來進(jìn)行空隙分率XL的計算，其包括將所述迭代法計算結(jié)果與所述非迭代法計算結(jié)果進(jìn)行比較。
11.如權(quán)利要求6所述的多相流體測量系統(tǒng)(100)還包括氣體密度計(154)在所述多相流體測量系統(tǒng)的溫度與壓力下計量氣體密度ρgas；和所述傳感器(112)還被配置成根據(jù)所述氣體密度ρgas和所述液體密度ρL以及所述空隙分率XL來計算密度ρCalc。
12.如權(quán)利要求11所述的多相流體測量系統(tǒng)(100)，其中所述傳感器(112)還被配置為根據(jù)所述密度ρCalc等于所述氣體密度ρgas與所述空隙分率XL的乘積加上一減所述空隙分率XL之差與所述液體密度ρL的乘積的關(guān)系來計算所述密度ρCalc。
13.如權(quán)利要求12所述的多相流體測量系統(tǒng)，其中所述傳感器(112)還被配置為使用迭代計算測定所述液相主體的流量，即將逐次的XL值迭代ρCalc值直到ρCalc對于ρmeas的誤差收斂到可接受的范圍內(nèi)，ρmeas的值由測量密度ρmeas的所述方法測定。
14.如權(quán)利要求13所述的多相流體測量系統(tǒng)(100)，其中所述傳感器(112)還被配置為根據(jù)氣體空隙率XLi等于所述密度ρCalc減去所述密度ρmeas后除所述密度ρCalc的商的關(guān)系迭代所述密度ρCalc的值，其中XLi是基于ρCalc迭代近似值的氣體空隙分率。
15.如權(quán)利要求11所述的多相流體測量系統(tǒng)(100)還包括水含量測定儀(172)，其在使用環(huán)境下、在液相主體含有一個油相和一個水相時根據(jù)所述密度ρCalc測量所述液相主體的水含量WC。
16.如權(quán)利要求15所述的多相流體測量系統(tǒng)(100)，其中所述水含量測定儀(172)的工作原理是基于所述水含量WC等于所述密度ρCalc減油密度后除以水密度減油密度之差的關(guān)系，其中所述油密度為所述液相主體中油的密度，所述水密度為該液相主體中水的密度。
17.如權(quán)利要求1所述的多相流體測量系統(tǒng)(100)還包括密度計(154)，其測量來自所述分離器的氣體組份主體的密度ρmsas；氣體流量計(154)，其測量所述氣體組份主體的流量。
18.如權(quán)利要求17所述的多相流體測量系統(tǒng)(100)，其中所述傳感器還被配置成使用所述密度ρmgas根據(jù)密度來計算所述氣相主體的空隙分率XG。
19.一種在包含一個液相和一個氣相的流動環(huán)境下進(jìn)行多相流體測量的方法(P200)，所述方法包含下列步驟將進(jìn)口多相流分離為液相主體和氣相主體(P204)，液相主體具有含夾帶氣體的液體組份主體和氣相主體具有氣體組份主體；測量所述液相主體的流量(P210)；和進(jìn)行計算(P226)，以量化所述液相主體中離散的液相和離散的氣相的流量。
20.如權(quán)利要求19所述方法(P200)，其中所述計算步驟不用經(jīng)驗性校正，但用于測定選自密度和粘度的流體性質(zhì)的經(jīng)驗性校正除外。
21.如權(quán)利要求20所述方法(P200)，其中所述測量所述液相主體的流量的步驟包括以下步驟自分離裝置中以所述第一液相主體中基本不含夾帶氣泡的方式流動第一液體；且測量(P206)所述第一液體的密度ρL。
22.如權(quán)利要求21所述方法(P200)，其中所述測量所述液相主體的流量的步驟還包括以下步驟在所述液相中可能包含夾帶氣泡的正常流動條件下測量所述液相主體的密度ρmeas(P210)；根據(jù)所述測定的密度ρmeas和所述密度ρL間的關(guān)系計算空隙分率XL(P214)；和將所述空隙分率XL應(yīng)用于所述液相主體的總流量QTL，以分別給出所述液相主體的所述液體組份流量QL和所述氣相組份流量QG。
23.如權(quán)利要求22所述方法(P200)，其中所述計算所述空隙分率XL的步驟(P214)包括以下步驟進(jìn)行迭代收斂計算。
24.如權(quán)利要求23所述方法(P200)，其中所述迭代收斂計算的收斂基于所測密度值與基于空隙分率XL的理論密度間的差值。
25.如權(quán)利要求24所述方法(P200)，其中所述計算所述空隙分率XL的步驟(P214)包括以下步驟進(jìn)行一個非迭代計算。
26.如權(quán)利要求25所述方法(P200)，其中所述計算所述空隙分率XL的步驟(P214)包括以下步驟將來自所述迭代解析的結(jié)果與來自所述非迭代計算的結(jié)果進(jìn)行比較以得到一個最佳結(jié)果。
27.如權(quán)利要求22所述方法(P200)還包括以下步驟在多相流測量系統(tǒng)的溫度和壓力下測定氣體密度ρgas；測量所述液相主體的液體密度ρL；根據(jù)所述測定的密度ρmeas和所述密度ρL間的關(guān)系計算空隙分率XL(P214)；根據(jù)所述氣體密度ρgas、所述液體密度ρL和所述計算空隙分率XL的步驟確定的空隙分率XL計算密度ρCalc(P216)。
28.如權(quán)利要求27所述方法(P200)，其中所述密度ρCalc的所述計算(P216)根據(jù)如下關(guān)系進(jìn)行Pcalc＝(PgasXL)+(1-XL)PL，其中XL是所述液體組份主體的空隙率。
29.如權(quán)利要求28所述方法(P200)，其中所述密度ρCalc的計算(P216)包括以下步驟將逐次的XL值迭代ρCalc值直到ρCalc對于ρmeas的誤差收斂在可接受的范圍內(nèi)，ρmeas的值在所述測量密度ρmeas的步驟測定。
30.如權(quán)利要求31所述方法(P200)，其中所述迭代ρCalc值的操作基于如下關(guān)系XLi＝(Pcalc-Pmeas)/Pcalc.其中XLi是基于ρCalc的近似迭代值的氣體空隙分率。
31.如權(quán)利要求30所述方法(P200)還包括如下步驟根據(jù)密度ρCalc計算所述液相主體的水含量WC(P224)。
32.如權(quán)利要求31所述方法(P200)，其中計算所述液相主體的水含量WC(P224)的操作基于如下關(guān)系WC＝(Pcalc-Po)/(Pw-Po)，其中ρo是所述液相主體中油的密度，ρw是所述液相主體中水的密度。
33.如權(quán)利要求22所述方法(P200)包括以下步驟測量氣相主體的密度ρmgas(P222)；和測量所述氣相主體的流量(P222)。
34.如權(quán)利要求33所述的方法還包括以下步驟用由測量密度ρmgas的所述方法中測定的所述密度ρmgas根據(jù)密度來計算所述氣相主體的空隙分率XG。
全文摘要
一種自動井測試系統(tǒng)(100)，其使用一個連接了一對Coriolis流量計(154，166)的兩相渦旋分離器104測量三相流體的體積流量。測量根據(jù)過程(P200)進(jìn)行，其包含一個迭代收斂技術(shù)。測量由于使用實時密度和來自水含量測定儀(P172)和一個水密度計的水含量值而得以改進(jìn)。
文檔編號E21B47/10GK1415070SQ00818016
公開日2003年4月30日 申請日期2000年10月18日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月28日
發(fā)明者R·E·杜頓, C·斯特勒 申請人:微動公司